第五百一十五章 太陽中微子失蹤之謎

　　不過很快，喬安華臉上激動的表情便收斂了起來。

　　“龐教授，不可否認，你這個理論很美妙，但問題是，我們必須得找到你所說的這種惰性中微子，才能證實你的理論正確，按照你這篇論文中計算的結果，這種中微子存在的時間很短，又很難與其他物質發生反應，單單如何設計實驗找到它，就是一個天大的難題！”

　　龐學林淡淡笑道：“喬教授，你還記得太陽中微子失蹤之謎不？”

　　“太陽中微子失蹤之謎？”

　　喬安華微微一愣，眉頭微微皺了起來。

　　他當然知道這個在科學史上著名的難題。

　　二十世紀上半葉，物理學家們普遍相信太陽發光是由于其內部不斷發生從氫到氦的核聚變反應。

　　根據這一理論，在太陽內部每4個氫核（即質子）轉化成1個氦核、2個正電子和2個神秘的中微子。

　　太陽正是由這種核聚變反應釋放出來的能量發光發熱，哺育著地球上的萬物。

　　隨著熱核反應的進行，中微子被源源不斷地釋放出來。

　　由于4個質子的質量大于1個氦核加上2個正電子和2個中微子的質量，反應要釋放出大量的能量。

　　這些能量的一小部分最終以陽光的形式到達地球。

　　這種核反應是太陽內部最頻繁出現的反應。

　　中微子可以輕易地從太陽內部逃離出去，其能量并不以光和熱的形式出現。

　　有的時候熱核反應產生的中微子能量比較低，帶走的能量比較少，則太陽就獲得了更多的能量。

　　如果中微子的能量比較高，太陽得到的能量就會相對少一點。

　　中微子不帶電荷，且沒有內部結構。

　　在基本粒子物理學的標準模型中，中微子是沒有質量的。

　　每秒到達地球表面每平方厘米的太陽中微子大約為1000億個，但我們卻感受不到它們，因為中微子與物質發生相互作用的概率很小。每1000億個太陽中微子穿過地球時只會有1個與組成地球的物質發生相互作用。由于中微子與其它粒子相互作用的概率微乎其微，它可以輕易地從太陽內部逃逸出來并直接帶給我們關于太陽內部核反應的重要信息。

　　自然界中存在3種不同類型的中微子，太陽內部核反應產生的中微子是電子型中微子，這種中微子的產生是與電子相關聯的。另外兩種中微子是μ子中微子和τ子中微子，它們可以在加速器或者爆炸的星體中產生，分別與帶電的μ子和τ子相關聯。

　　1964年，雷蒙德·戴維斯和約翰·白考提出了一個實驗方案來檢驗提供太陽能量的核反應到底是不是聚變反應。

　　約翰·白考和他的同事利用一種精細的計算機模型計算了不同能量的太陽中微子數量。

　　由于太陽中微子會與氯元素發生反應釋放出放射性氬原子，所以他們還計算了在一個盛滿四氯乙烯的巨桶中觀測到的個數。

　　盡管這個想法在當時看來有些不切實際，戴維斯還是相信用一個游泳池大小的盛滿純四氯乙烯的容器作探測器能夠測出來理論所預言的每個月產生的氬的數量。

　　戴維斯最早的實驗結果1968年。

　　他所探測到的事例數只有理論預言值的三分之一。這種理論預言的事例數與實驗不一致的問題后來被稱為“太陽中微子難題”，更流行的說法“中微子失蹤之謎”。

　　為了解釋太陽中微子難題，人們曾提出來3種可能的方案。

　　第一種方案認為理論計算也許有問題，可能在兩個地方出了錯：或者太陽模型存在問題，導致理論所預言的太陽中微子數量不對，或者計算出來的產生率有問題。

　　第二種解釋認為或許戴維斯的實驗出了錯。

　　第三種方案是最大膽的一種，也是討論最多的一種，它認為太陽中微子本身在從太陽到地球穿過宇宙空間的過程中發生了變化。

　　在接下來的20年中，許多人又重新仔細計算了太陽中微子的產生數量。計算所用的數據精度在不斷地提高，得出的結果也更加準確。

　　最終發現，從太陽模型得出的中微子數量和對戴維斯的實驗裝置所能探測到的中微子事例數的計算都沒有明顯的錯誤。

　　與此同時，戴維斯提高了實驗精度，并進行了一系列不同的測試來確認他并沒有忽略某些中微子。

　　在他的實驗裝置上面也沒有發現什么錯誤。實驗與理論不一致的問題仍然沒有得到解決。

　　前面提到的第三種解釋是由前蘇聯科學家布魯諾·龐特克威和弗拉基米爾·格利鮑夫在1969年提出的。

　　這種想法認為中微子的性質并不像物理學家原先想象的那樣簡單，中微子可能具有靜止質量并且不同類型的中微子可以相互轉化，后者即所謂的中微子振蕩。

　　這一想法最初被提出來時，并沒有得到大多數物理學家的接受。但是隨著時間的推移，越來越多的證據開始傾向于中微子振蕩的存在。這是一種超出了標準模型框架的新物理。

　　1989年，在第一個太陽中微子實驗結果發布20年以后，一個由小柴昌俊和戶塚洋二領導的日美實驗組（神岡合作組）報告了他們的實驗結果。他們在巨大的探測器內裝滿純水，用以探測水中的電子與來自太陽的高能中微子之間的散射率。

　　這個實驗裝置精度很高，但只能探測到高能量的太陽中微子。這種高能中微子來自太陽內部熱核反應中一種相對稀少的過程，即元素的衰變。戴維斯最初的實驗裝置使用的是氯，但也能探測到這個能區的中微子。

　　神岡實驗證實了觀測到的中微子數目的確少于太陽模型的理論預言值，但其揭示出來的理論與實驗不一致程度比戴維斯的實驗要小一些。

　　在接下來的10年中，3個新的太陽中微子實驗使中微子失蹤問題變得更加復雜。

　　由德國人緹爾克斯坦領導的GALLEX實驗室和弗拉基米爾·格利鮑夫領導的SAGE實驗室分別用裝滿鎵的探測器來探測低能太陽中微子，發現低能中微子同樣存在丟失的問題。

　　另外，由戶塚洋二和鈴木洋一郎領導的超級神岡實驗使用了總共包含5萬噸水的巨大探測裝置對高能太陽中微子進行了更加精確的測量，令人信服地證實了戴維斯的實驗和神岡實驗觀測到的中微子丟失現象。

　　這樣，無論是高能太陽中微子還是低能太陽中微子都存在失蹤現象，只是丟失的比例不同。

　　2001年6月18日中午12時15分，由加拿大人亞瑟·麥克唐納領導的美國、英國和加拿大科學家組成的中微子實驗組宣布了一個激動人心的消息：他們解決了太陽中微子難題。

　　這個國際合作小組使用了1000噸重水來探測中微子。

　　探測器放置在加拿大南部城市薩德伯里地下2000米深的一個礦井中。他們用一種不同于神岡實驗和超級神岡實驗的新方法探測高能區的太陽中微子。這個實驗被稱為SNO實驗。

　　在SNO最初的實驗中，他們使用的重水探測裝置處在一種只對電子中微子敏感的狀態。

　　科學家們在SNO觀測到的電子中微子數量大約是標準太陽模型預言值的三分之一，而先前的超級神岡實驗不但對電子中微子敏感，還對其它類型的中微子也有一定的敏感性，所以觀測到的中微子數目大約超過了理論預期值的一半。

　　如果標準模型是正確的，則SNO的實驗結果應該與超級神岡的一致，即來自太陽的中微子都應是電子中微子。兩個實驗的結果不一致，表明描述中微子性質的標準模型有問題，至少是不完備的。

　　綜合SNO和超級神岡的實驗，SNO合作組不但確定了電子中微子的數量，還確定了來自太陽的三種類型的中微子的總量，結果與太陽模型的預言相一致。

　　電子中微子占所有中微子總數的三分之一。

　　這樣，問題的所在就清楚了：雖然在地面觀測到的電子中微子數量只占太陽中微子總數的三分之一，但是后者并沒有減少；丟失的電子中微子并沒有“消失”，只是轉變成了難以探測的μ子中微子和τ子中微子。

　　這個具有劃時代意義的結果2001年6月，并且很快就得到其它一系列實驗的支持。

　　SNO合作組在他們的重水探測裝置上測量了全部3種高能中微子的數量，這在當時是獨一無二的。他們的實驗結果表明：大多數中微子都是在太陽內部產生的，產生時都是電子中微子。

　　到達地球時，部分電子中微子轉變成了μ子中微子和τ子中微子。

　　SNO實驗的關鍵在于對3種中微子總數的測量。正是由于確定了3種中微子的總量，物理學家才能夠不依賴于具體理論模型令人信服地解釋太陽中微子失蹤之謎。

　　“龐教授，你的意思是，通過太陽中微子實驗可以找到這種惰性中微子的存在？”

　　喬安華看著龐學林，皺眉道。